關(guān)節(jié)軟骨組織工程支架材料的研究進(jìn)展

【作 者】邵鴻，戴剛，李玉吉

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，蘭州市，730000

2 甘肅省中醫(yī)院，蘭州市，730050

關(guān)節(jié)軟骨組織工程支架材料的研究進(jìn)展

【作 者】邵鴻2，戴剛2，李玉吉2

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，蘭州市，730000

2 甘肅省中醫(yī)院，蘭州市，730050

近年來因創(chuàng)傷或骨病等所致關(guān)節(jié)軟骨損傷在臨床上十分常見。當(dāng)前針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷治療方法很多，然而各自都有其局限性。隨著納米技術(shù)和仿生技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用組織工程技術(shù)在關(guān)節(jié)軟骨損傷治療中的支架材料具有舉足輕重的作用，其中復(fù)合材料的研究和開發(fā)是熱點(diǎn)，充分應(yīng)用納米技術(shù)和仿生技術(shù)前景廣闊。

關(guān)節(jié)軟骨；組織工程；支架材料；納米技術(shù)；仿生技術(shù)

近年來因創(chuàng)傷或骨病等所致關(guān)節(jié)軟骨損傷在臨床上十分常見，因?yàn)闆]有血管、神經(jīng)支配和淋巴回流，所以軟骨磨損退變或缺損超過2 mm直徑后恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)非常困難，修復(fù)能力有限[1]。以前采用微骨折術(shù)等方法治療關(guān)節(jié)軟骨損傷，但是大部分均使用纖維軟骨，并沒有形成透明軟骨[2]。隨著組織工程技術(shù)研究的深入，治療關(guān)節(jié)軟骨損傷的方法有了很大發(fā)展。

目前組織工程技術(shù)主要從支架材料、有軟骨分化能力的種子細(xì)胞和細(xì)胞調(diào)節(jié)生長因子[3]三個(gè)方面深入研究，支架材料不僅為種子細(xì)胞提供了新陳代謝的場所，同時(shí)也為細(xì)胞調(diào)節(jié)生長因子提供暫時(shí)的接合點(diǎn)，是二者修復(fù)損傷軟骨的載體。支架材料要求有優(yōu)良的孔隙率，力學(xué)性能佳，生物相容性好，機(jī)械支撐好，具有一定的彈性，不易脫落，不引起排斥反應(yīng)等特點(diǎn)，支架材料在關(guān)節(jié)軟骨組織工程技術(shù)中具有至關(guān)重要的作用。

1 天然支架研究進(jìn)展

天然支架有膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸、藻酸鹽、纖維蛋白、脫細(xì)胞軟骨基質(zhì)、硫酸軟骨素等[4]，具有生物相容性好，毒副作用小，易降解，并且降解產(chǎn)物易吸收等優(yōu)勢(shì)[5]。其中膠原支架對(duì)細(xì)胞黏附具有突出作用，殼聚糖支架生物相容性和降解性好，且其降解產(chǎn)物體內(nèi)不蓄積[6]。但天然支架有力學(xué)性能差、來源有限、降解速度快等缺點(diǎn)。

目前對(duì)膠原、殼聚糖、藻酸鹽、透明質(zhì)酸等及其衍生物的研究是熱點(diǎn)。國外Crawford DC等[7]通過臨床試驗(yàn)證實(shí)采用軟骨細(xì)胞膠原復(fù)合物治療關(guān)節(jié)軟骨損傷療效滿意。Correia CR等[8]采用殼聚糖/透明質(zhì)酸支架材料顯示透明質(zhì)酸的加入可有效提高殼聚糖的力學(xué)強(qiáng)度，軟骨細(xì)胞在復(fù)合支架材料上的黏附、增殖和分化能力得到明顯增強(qiáng)，同時(shí)促進(jìn)了軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的形成。此外有研究發(fā)現(xiàn)在藻酸鹽凝膠輔助下種子細(xì)胞能持續(xù)釋放生長因子，促進(jìn)細(xì)胞增殖[9]。雖然有關(guān)天然支架材料研究很熱，但是其抗原性消除不確定、機(jī)械強(qiáng)度較差等問題依然是影響其研究的瓶頸。近年來人們開始逐漸將天然支架材料的優(yōu)點(diǎn)歸并，其中MintzBR等[10]提出混合透明質(zhì)酸水凝膠/聚(ε-caprolactone)支架促進(jìn)了細(xì)胞外基質(zhì)的形成，提供了機(jī)械良好的軟骨組織工程研究的材料。許多專家傾向于天然支架材料復(fù)合物的研究，將天然支架材料的缺點(diǎn)消弭，同時(shí)通過耦合將它們優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極致。

2 人工合成支架研究進(jìn)展

人工合成支架材料有聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚羥基乙酸（polyglycolic acid，PGA）、PLA-PGA復(fù)合物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烯、聚已內(nèi)酯等，主要包括有機(jī)高分子材料和無機(jī)高分子材料兩類。人工合成支架具有降解時(shí)間可調(diào)控，來源不受限制，物理機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，國外有人提出一種創(chuàng)新和簡易的聚乙烯醇(PVA)/細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)支架可以促進(jìn)軟骨再生，Qi Y等[11]認(rèn)為在兔模型上利用間充質(zhì)干細(xì)胞和聚乳酸-聚羥基乙酸(PLGA)支架能修復(fù)軟骨缺損。盡管經(jīng)過諸多研究使得人工合成支架材料生物相容性改善，如使用聚乙烯醇-聚乳酸水凝膠，由于其含水量高適合關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)，生物相容性相對(duì)較好。但其生物相容性終究不如天然支架材料，降解速度難以控制，易引起炎癥反應(yīng)，引起免疫排斥反應(yīng)后又破壞支架結(jié)構(gòu)等缺陷[12]，因此在人工合成支架材料研究方面，目前研究者大都致力于改善和提高人工合成支架材料的生物相容性研究。

3 復(fù)合材料支架

復(fù)合材料支架兼有上述二者的優(yōu)點(diǎn)，雖然復(fù)合材料支架不同材料的制取及配比難以把握，但復(fù)合材料支架依然是研究熱點(diǎn)。國外Almeida HV等[13]提出cartilage-ECM-derived支架能促進(jìn)軟骨形成，收縮率小，可以保留許多合成硫酸黏多糖，這一支架可作為生長因子輸送系統(tǒng)用于關(guān)節(jié)軟骨的再生。Lin H等[14]提出VL-photocrosslinked mGL支架是一個(gè)有前途的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞修復(fù)方法，其中甲基丙烯酸酯膠(mGL)具有可注射性和生物可降解性。有的專家[15]提出使用膠原蛋白/聚乳酸（PLA）復(fù)合支架來修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的缺損，為軟骨組織工程微觀結(jié)構(gòu)的分析提供了條件。由此可見復(fù)合材料支架均不同程度地改善和提高了支架機(jī)械強(qiáng)度、生物可降解性等，其中天然支架材料和人工合成支架材料的選擇也多樣化，研究者通過不同配比比例，企圖實(shí)現(xiàn)二者結(jié)合后的最優(yōu)化。甚至出現(xiàn)三者結(jié)合的復(fù)合材料支架，如Zhu Y等[16]提出膠原蛋白/chitosan-polycaprolactone（CH-PCL）/硫酸軟骨素(CS)復(fù)合材料支架適用于關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)。

水凝膠材料可以提供細(xì)胞代謝的微環(huán)境，尤其雙極性類似軟骨材料成為又一研究的熱點(diǎn)。其中Hong HJ等[17]在兔模型上利用同種異體軟骨細(xì)胞、纖維蛋白/透明質(zhì)酸(HA)水凝膠和可降解多孔聚乳酸-聚羥基乙酸(PLGA)支架進(jìn)行部分氣管重建試驗(yàn)，術(shù)后6～10周兔子顯示無任何呼吸窘迫的跡象。同時(shí)，研究者逐漸重視復(fù)合材料支架的孔隙，在控制孔隙率、孔隙的形狀、孔隙的尺寸等方面研究較多，希望能夠制備孔隙完全連通的多孔結(jié)構(gòu)支架。

4 納米技術(shù)支架

納米技術(shù)支架在軟骨組織工程上有獨(dú)特的潛力，尤其碳納米管表現(xiàn)出內(nèi)在獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，其刺激軟骨細(xì)胞生長和修復(fù)。有的專家[18]提出碳納米復(fù)合材料可以為軟骨組織工程支架提供一種改進(jìn)的刺激軟骨細(xì)胞生長的基質(zhì)，可以使支架的結(jié)構(gòu)有良好的力學(xué)性能。納米技術(shù)支架雖然支架纖維孔徑小，不利于細(xì)胞生長，但是可以構(gòu)造出類細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能[19]，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特性。Valiani A等[20]提出一種新型的納米復(fù)合凝膠水溶性碳納米管和海藻酸，利用三維支架在促進(jìn)軟骨形成的基因表達(dá)方面效果明顯。

5 仿生材料支架

仿生材料支架結(jié)構(gòu)類似于天然正常人體的關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)[21]，可以很好地促進(jìn)損傷軟骨修復(fù)，保持軟骨細(xì)胞表型，在軟骨組織仿生分層設(shè)計(jì)、制備工藝以及最優(yōu)化其生物性能的方面成為了新的研究熱點(diǎn)。有學(xué)者提出根據(jù)需要或者通過利用能夠負(fù)載活性細(xì)胞和治療藥物的可注射凝膠支架材料，構(gòu)造納米纖維結(jié)構(gòu)仿生支架等[22]，其具有類細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。Zhu Y等[23]提出分層制造膠原蛋白/Chitosanpolycaprolactone(CH-PCL)支架仿生微體系結(jié)構(gòu)。該支架部分類似于關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)成分，多孔微體系結(jié)構(gòu)、含水量和壓縮力學(xué)性能表明它們?cè)陉P(guān)節(jié)軟骨修復(fù)方面有很大的應(yīng)用潛力。

6 3D打印技術(shù)支架

3D打印技術(shù)根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用細(xì)胞、生物粘合劑、細(xì)胞因子構(gòu)架復(fù)雜組織[24]。

Chen C等[25]提出基于三維印刷技術(shù)的軟骨修復(fù)，使用三維打印技術(shù)制造仿生的軟骨復(fù)合支架。近年來有研究者認(rèn)為3D打印技術(shù)與靜電紡絲法結(jié)合可以提高復(fù)合材料支架的機(jī)械性能，加速復(fù)合材料支架的降解。因此3D打印技術(shù)為尋求理想便捷的復(fù)合材料支架提供了新的選擇。

7 其他

隨著組織工程和其他學(xué)科的聯(lián)系日益密切，在實(shí)驗(yàn)和臨床上出現(xiàn)了多學(xué)科交叉現(xiàn)象，在新的支架材料的開發(fā)研究上開辟了新天地。Sharma等[26]提出結(jié)合微骨折術(shù)，利用具有光反應(yīng)性的水凝膠材料，來修復(fù)損傷的透明軟骨。有報(bào)道認(rèn)為損傷軟骨下鉆孔使用富含血小板plasma-immersed聚合物，植入后有再生軟骨形成，明顯改善了病人的情況[27]。許多研究者通過不懈努力，旨在提高支架材料的生物性能，有人[28]提出在未來大孔可調(diào)支架對(duì)軟骨缺損修復(fù)很有潛力，其可促進(jìn)軟骨細(xì)胞播種和擴(kuò)散。而Filardo G等[29]建議在手術(shù)過程中使用纖維蛋白膠用于改善術(shù)后早期C-HA支架的穩(wěn)定性和完整性。由此可見，在治療關(guān)節(jié)軟骨損傷方面表現(xiàn)出了多元化，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還需不斷努力探索。

8 小結(jié)與展望

關(guān)節(jié)軟骨支架材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通過利用細(xì)胞外基質(zhì)材料、人工合成材料、仿生材料等構(gòu)造修復(fù)軟骨支架材料是當(dāng)前較熱的研究內(nèi)容之一。隨著材料增多和制備工藝發(fā)展，需要開發(fā)新技術(shù)和優(yōu)化當(dāng)前的技術(shù)，取長補(bǔ)短，更多的為臨床服務(wù)。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在治療關(guān)節(jié)軟骨損傷方面已取得巨大成就，臨床上應(yīng)根據(jù)患者年齡、軟骨組織受傷的起源、癥狀持續(xù)時(shí)間、病變部位、病灶大小、損傷程度等具體情況，采用最優(yōu)個(gè)體化治療方案，針對(duì)性地選擇最有利于病情康復(fù)的軟骨修復(fù)支架材料。復(fù)合材料特別是在材料制備的工藝和優(yōu)化性能組合方面有待進(jìn)一步深入研究，納米技術(shù)和仿生技術(shù)等在關(guān)節(jié)軟骨支架材料的開發(fā)應(yīng)用上前景廣闊。

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Research Progress of Articular Cartilage Scaffold Materials for Tissue Engineering

【 Writers 】SHAO Hong1, DAI Gang2, LI Yuji2
1 Gansu University of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou, 730000
2 Gansu Province of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou, 730050

Articular cartilage injury is common in clinical in recent years, due to the trauma or bone disease. There are many methods for the repair of articular cartilage injury currently, but each has its limitations. With the development of nanotechnology and bionic-technology, the scaffold plays an important role with tissue engineering technique in the repair of articular cartilage injury, in which the composite materials are the hot direction of the research and development, the full application of nanotechnology and bionic-technology prospect in the future.

articular cartilage, tissue engineering, scaffold material, nanotechnology, bionic technology

R318.08

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.06.009

1671-7104(2016)06-0425-03

2016-04-11

國家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(31360230)；甘肅省科技重大專項(xiàng)(1203FKDA036)

邵鴻，E-mail: 1871569165@qq.com

戴剛，E-mail: Daigang60@163.com